Comandi di volo fly-by-wire per elicotteri: studio teorico e sperimentale della dinamica di un attuatore servoidraulico fault-tolerant per rotore principale

Abstract

La presente tesi, svolta presso il laboratorio Fly By Wire del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa, si inserisce nell’ambito di un progetto di ricerca che ha come obiettivo lo studio e la modellazione dei comandi primari di volo di un moderno elicottero Fly By Wire. L’introduzione di sistemi di controllo Fly-By-Wire Full-Authority in campo elicotteristico è un idea relativamente recente ed oggetto di studi attuali. A differenza dei velivoli ad ala fissa, gli elicotteri, o più in generale i velivoli ad ala rotante, presentano problematiche maggiori per l’impiego di tali sistemi di controllo. Il marcato accoppiamento dei comandi e quindi delle dinamiche nei piani laterodirezionale e longitudinale, la notevole entità delle vibrazioni presenti sull’intera struttura dell’elicottero, le diverse e maggiormente complesse modalità di avaria del sistema al livello rotorcraft sono le cause principali che rendono complesso l’impiego di sistemi di controllo Fly-By-Wire Full-Authority sui velivoli ad ala rotante. Tuttavia i vantaggi derivanti dall’impiego di questo tipo di tecnologia sono tali da rendere indispensabile il superamento delle problematiche relative all’impiego di tali sistemi. In particolare il minor task di pilotaggio richiesto è senza dubbio un vantaggio fondamentale. La presente tesi ha come obiettivo lo sviluppo di un modello della dinamica di un attuatore servoidraulico fault-tolerant per rotore principale e la successiva convalidazione mediante test condotti su Hardware presso i laboratori del DIA. Il sistema oggetto di studio della tesi è un attuatore tandem con common spool movimentato da una DDV rotante, azionata da un motore elettrico di tipo brushless. Avvalendosi di materiale reperibile in letteratura viene generato un modello fisico della dinamica della DDV e dell’attuatore, con particolare attenzione alla modellazione del motore della DDV, della dinamica elettrica (dinamica della corrente + PWM), del flusso idraulico e degli attriti. L’obiettivo fondamentale è quello di descrivere i fenomeni fisici utilizzando modelli, ove possibile, relativamente semplici. Il sistema di controllo dell’attuatore, fornito dal costruttore, viene accoppiato al modello fisico generato. Attraverso la comparazione dei risultati di risposta in frequenza tra il modello e quelli forniti dal costruttore il modello fisico del sistema viene raffinato in modo da ottenere un buon matching sui dati. L’ultima fase del lavoro, prettamente sperimentale, è dedicata all’esecuzione di specifici test di laboratori che costituiscono il database sul quale viene convalidato definitivamente il modello, attraverso la comparazione di risposte in frequenza e risposte temporali. In particolare le principali attività sperimentali svolte sono indirizzate sull’analisi del segnale e sull’identificazione delle anomalie della risposta dinamica del sistema. L’analisi del segnale attraverso trasformata di Fourier ha lo scopo di caratterizzare il rumore sui segnali stessi per poi riprodurli nel modello di simulazione. Le anomalie della risposta dinamica della DDV sono da imputarsi ad una complessa interazione tra il loop di corrente e quello di controllo del motore della DDV a seguito di una eccessiva semplificazione del sistema di controllo rispetto a quello fornito dal costruttore. La compensazione di tali anomalie viene risolta sintetizzando un nuovo controllo in ciclo chiuso; naturalmente tale controllo è preliminare ed ottimizzato esclusivamente per alcune condizioni di test